Biološki učinci djelovanja ionizirajućih zračenja

1. Biološki učinci djelovanja ionizirajućih zračenja Prof.dr.sc. Stipan Janković

2. Radiobiologija Djelovanje ionizirajućeg zračenja na stanicu

3. Radiobiologija • izlaganje stanica zračenju dovodi do unosa energije u stanice, što uzrokuje niz različitih promjena kemijskih i bioloških strukturnih elemenata ovisno o količini i vrsti energije zračenja. • učinci djelovanja zračenja su posljedica ionizacije u procesu interakcije zračenja i atoma/molekula koji su strukturni dijelovi stanica. • sve promjene na živim stanicama koje nastaju djelovanjemzračenja nazivaju se skupnim imenom biološko djelovanje ionizirajućeg zračenja.

4. Radiobiologija Fizikalne promjene u stanici • nastaju pod utjecajem apsorbirane energije zračenja. • ionizirajuća zračenja su valovi, fotoni energije u točno određenim –definiranim količinama (kvantima energije). • količina energije koju prenosi foton određena je po jednadžbi: E= h x f (E= energija, f= frekvencija, h=konstanta koja određuje njihov omjer). • što je veća frekvencija to je manja duljina vala, to je veća količina energije koju fotoni predaju stanicama. • energija fotona (zraka) pretvara se u kinetičku energiju elektrona izbačenih iz elektronskih omotača atoma.

5. Radiobiologija • nastaju fizikalni procesi: • ionizacija- stvaranje ionskih parova • anihilacija pozitrona • nastanak karakterističnog zračenja • neznatno povećanje temperature tkiva itd. *Sve se to odvija u vrlo kratkom vremenu, koje se mjeri oko 10-13msec.

6. Radiobiologija Kemijske promjene u stanici • nadovezuju se na fizikalne promjene. • ionizirani atomi mijenjaju kemijska svojstva. • ako je atom sastavni dio važne velike molekule, ionizacija može dovesti do prekida molekule ili prelokacije atoma u molekuli. • molekula može biti oštećena na način promijenjene funkcije ili gubitka njene funkcije, što može rezultirati ozbiljnim oštećenjem ili čak smrti stanice.

7. Radiobiologija KAKO ZRAČENJE DJELUJE NA STANICU ? Postoje dvije mogućnosti oštećenja: • pogodak vitalnih struktura (karioreksa, karioliza, stvaranje vakuola u citoplazmi, pucanje stanične membrane itd.) - izravno djelovanje zračenja (teorija izravnih pogodaka). • neizravna oštećenja: nastaju u srazu zračenja s molekulama vode (75-85% tjelesne mase!)- teorija neizravnih oštećenja. *Najveći broj oštećenja događa se ovim mehanizmom, a samo oko 5% izravnim djelovanjem zračenja!

8. Radiobiologija

9. Radiobiologija • DJELOVANJE ZRAČENJA NA STANICU • ciljno mjesto djelovanja radijacije na živa tkiva je stanica, osnovni građevni element tkiva. • upravo u stanici događaju se različite kemijske i biološke promjene nakon izlaganja ionizirajućem zračenju. • stanice su građene od molekula i to pretežno od slijedećih pet glavnih molekula: • 80 % molekule vode • 15 % proteini • 2% lipidi • 1% ugljikohidrati • 1% nukleinske kiseline • 1% sve ostale molekule

10. Radiobiologija • od ovih molekula, očito su najzastupljenije molekule vode, a to su ujedno i najjednostavnije molekule u ljudskom tijelu. • proteini, lipidi, ugljikohidrati su organske molekule, a zbog njihove veličinenazivaju se i makromolekulama, u što spadaju inukleinske kiseline koje su veoma velike molekule, sastavljene od stotina i tisuća atoma. • zbog najveće zastupljenosti u tijelu, pri izlaganju zračenju najveća je mogućnost interakcija zračenja s molekulama vode. Najveći dio zračenja apsorbira se u ovim molekulama jer su one najbrojnije. • poznato nam je da se sve bitne funkcije u ljudskom tijelu odvijaju uz pomoć molekula vode, pa svako unošenje nove energije sa strane u te molekule dovodi do poremećaja koji mogu rezultirati različitim oštećenjima.

11. Radiobiologija • Koji su mehanizmi djelovanja zračenja na molekule vode s posljedičnim oštećenjima? • Prikazat ćemo na jednostavnom primjeru: H2O + zračenje = H2O+ + e- H2O+ H+ +OH* H2O+ + e- H2O- H2O-  OH- +H*

12. Radiobiologija • Djelovanjem zračenja na molekulu vode nastali su slobodni radikali: • OH*iH*koji su vrlo nestabilni i u nekoliko mikrosekunda stupaju u različite kemijske reakcije s okolnim molekulama. • vezivanjem radikala na molekule koje su od vitalnog značaja za uredno funkcioniranje stanice, na primjer za metaboličke procese u stanici, dolazi do poremećaja metaboličkih procesa. Takav je slučaj s inaktivacijom encima pod djelovanjem slobodnih radikala. • Primjer oštećenja molekule encima: • R-SH+R-SH+2OH*R-S-S-R+2H2O • kao što se vidi iz ove jednostavne formule, djelovanjem slobodnog radikala OH* na molekulu encima, on je izgubio SH skupinu (sulfhidrilna skupina), koja se nalazi u mnogim encimima, a veoma je osjetljiva na djelovanje slobodnih radikala.

13. Radiobiologija • djelovanjem zračenja na molekule vode nastaje radioliza, a stvoreni slobodni radikali raskidaju dijelove makromolekule encima, i to najčešće baš kemijsku vezu između vodika i sumpora u SH skupini. • gubitkom ove karakteristične skupine molekula gubi svoju biokemijsku aktivnost što rezultira biološkim oštećenjem. • posljedice mogu biti oštećenje ili potpuni gubitak funkcije stanice za čije je metaboličke reakcije odgovoran inaktivirani encim. • Drugi primjer - oštećenje stvaranjem vodikova peroksida: • OH*+OH*=H2O2 • Vodikov peroksid je veoma toksični oksidant koji može oštetiti stanicu i njenu DNA.

14. Radiobiologija Važni građevni elementi tijela su proteini: • oko 15 % molekula u tijelu otpada na proteine • građeni su od dugih lanaca aminokiselina povezanih peptidnim vezama • u tome sudjeluju ukupno 22 aminokiseline • opća formula proteina: CNHNONNNTN.

15. Radiobiologija Molekula proteina sastavljena je pretežno od ugljika, kisika i dušika

16. Radiobiologija Uloga proteina: • građevni element i potpora (mišići itd.) • imaju funkciju kao encimi (kontrola biokemijskih procesa) • hormoni (kontrola rasta i razvoja) i antitijela (primarna obrana tijela od infekcija i bolesti)

17. Radiobiologija Lipidi: • organske makromolekule sastavljene od ugljika, vodika i kisika (CNHNON) • građeni su od jedne molekule glicerola i tri molekule masne kiseline • nalaze se u svim tjelesnim tkivima i strukturni su elementi staničnih membrana (lipoproteini) • imaju važnu ulogu toplinskog izolatora i depoa energetske rezerve *oštećenja lipida nastaju djelovanjem slobodnih radikala tek pri većim dozama zračenja

18. Radiobiologija Ugljikohidrati: • građeni su od ugljika, vodika i kisika (CHO), nazivaju se i saharidima • omjer broja atoma vodika i kisika je 2:1 • dijele se u manosaharide (glukoza-C6H12O6), disaharide i polisaharide (škrob) • uloga u organizmu: energetsko gorivo u stanicama-omogućuju stanični metabolizam

19. Radiobiologija Nukleinske kiseline • nukleinske kiseline su dezoksiribonukleinska kiselina (DNA) i ribonukleinska kiselina (RNA)

20. Radiobiologija • DNA je pretežno u jezgri stanica (manji dio u mitohondrijima) i spada među najvažnije organske makromolekule u tijelu. Ona kontrolira sve funkcije stanice i sadrži svu nasljednu masu. • RNA je smještena pretežno u citoplazmi stanice, a javlja se u tri oblika mRNA, tRNA i snRNA (sudjeluje u procesu zrenja mRNA): sudjeluje u procesima rasta i razvoja stanica, neophodne su za sintezu proteina. • DNA i RNA zajedno određuju redoslijed aminokiselina u molekuli proteina

21. Radiobiologija • diobom molekule DNA nastaju uvijek dvije jednake molekule (reduplikacija) s istim redoslijedom aminokiselina (A-T, C-G). • posrednik je molekula RNA koja prenosi “šifru” s DNA za sintezu novih molekula proteina u stanici. Poremećaj redoslijeda aminokiselina (pod utjecajem zračenja npr.) navodi ribosome na stvaranje drugačijih -“pogrešnih”, za stanicu nepotrebnih ili čak štetnih proteina.

22. Radiobiologija Prekid lanaca DNA zračenjem: prekid može biti jednostruk (može se oporaviti) ili dvostruk (ne može se oporaviti). Prekidi lanaca DNA se događaju na spojevima šećera i fosfornih veza ili između šećera i purinskih ili pirimidinskih baza, a posljedica su oštećenja encima koji kontroliraju procese sinteze i reduplikacije.

23. Radiobiologija • NAPOMENE: • oštećenja stanica su proporcionalna dozi zračenja. • veće doze zračenja oštećuju i reparatorne mehanizme, pa su nastala oštećenja ireverzibilna (smrt molekula i stanica). • ova se činjenica koristi u radioterapiji tumora. • sve ovo još nije do kraja istraženo i predmet je ispitivanja u laboratorijima diljem svijeta (na virusima, bakterijama, i kulturi stanica).

24. Radiobiologija OŠTEĆENJA STANIČNE MEMBRANE ZRAČENJEM • stanične membrane su veoma važne za uredno funkcioniranje stanica i tkiva, npr. stanice tubularnog epitela bubrega (razmjena elektrolita), živčane stanice u mozgu (kalij i natrij pumpa) itd. • oštećenja zračenjem se ispoljavaju pucanjem stanične membrane koja postaje abnormalno propusna.

25. Radiobiologija PROMJENE U STANICAMA NAKON IZLAGANJA ZRAČENJU • radioliza vode (stvaranje slobodnih radikala, inaktivacija encima): neizravni tip oštećenja – najviše je zastupljen (do 95%). • oštećenje organskih makromolekula (osobito DNA): izravna oštećenja – ovaj tip oštećenja stanica je manje zastupljen (pretpostavlja se svega 5% oštećenja). • ribosomi se međusobno sljepljuju. • mitohondriji bujaju, smanjuje se broj mitohondrijskih membrana, te se oštećuju okcidacijski procesi. • endoplazmatski retikulum se deformira i proširuje što dovodi do oštećenja sinteze proteina.

26. Radiobiologija OSJETLJIVOST POJEDINIH STANICA NA ZRAČENJE • osjetljivost (radiosenzibilnost) tkiva na zračenje je veoma različita. • za nju vrijedi Bergonie-Tribondeau zakon: stanice su osjetljive na zračenje proporcionalno brzini njihove diobe, a obrnuto proporcionalno stupnju njihove diferencijacije. • to znači da su na zračenje najosjetljivije stanice koje se intenzivno dijele i koje imaju intenzivnije metaboličke procese. • manje su osjetljive visoko diferencirane stanice i stanice sa sporijim metaboličkim procesima.

27. Radiobiologija Redoslijed osjetljivosti nekih stanica na zračenje: • slaba osjetljivost: mišićne stanice, živčane stanice i stanice koštanog tkiva. • umjerena osjetljivost: endotelne stanice, spermatide, fibroblasti, osteoblasti. • visoka osjetljivost: limfociti, spermatogonije, eritroblasti, stanice crijevnog epitela. **Spoznaje o različitoj osjetljivosti stanica odredile su radiobiološke smjernice za zaštitu od zračenja, ali su isto tako omogućile primjenu ionizirajućeg zračenja u terapijske svrhe (radioterapija zloćudnih tumora).

28. Radiobiologija • na zračenje su osjetljivije mlađe osobe. • žene su nešto manje osjetljive na zračenje nego muškarci.

29. Radiobiologija JAČINA BIOLOŠKIH OŠTEĆENJA ZRAČENJEM Jačina bioloških oštećenja ovisi o: a) vrsti zračenja (svaka vrsta zračenja ima svoju karakterističnu radiobiološku efikasnost (RBE), alfa čestice izazivaju ionizaciju tkiva 20 X veću od beta zraka; težinski faktor radijacije). b) vremenskoj raspodjeli doze (biološka oštećenja su obrnuto proporcionalna vremenu trajanja izlaganja radijaciji). c) topografskoj raspodjeli doze (biološka oštećenja su proporcionalna volumenu ozračenog tijela). d) apsorbiranoj dozi zračenja (biološka oštećenja su posljedica djelovanja sveukupnog zračenja kojem je tijelo bilo izloženo, bez obzira na doze, vrijeme izlaganja i volumen tkiva – efektivna životna doza zračenja).

30. Radiobiologija e) individualnoj osjetljivosti na zračenje (svaki organizam je različito osjetljiv na zračenje, razlozi uglavnom nepoznati). f) životnoj dobi (mlađe osobe su u pravilu osjetljivije na zračenje od starijih, djeca su 3 X osjetljivija od odraslih, fetus je najosjetljiviji na zračenje).

31. Prevencija i zaštita odzračenja

32. Zaštita od zračenja PREVENCIJA I ZAŠTITA OD ZRAČENJA PREVENCIJA: izbjegavanje izlaganja pučanstva nepotrebnom zračenju • DOBRA INDIKACIJA (naročito žena i mladih osoba u generativnom razdoblju) • REDOSLIJED PRETRAGA • klinički pregled • laboratorijski nalaz • ultrazvuk • endoskopske metode • RTG RAZUMAN- LOGIČAN ODABIR RADIOLOŠKIH METODA !

33. Zaštita od zračenja Mjere prevencije i zaštite (profesionalnog osoblja) • dobra stručna izobrazba prije početka rada • primjena propisanih zaštitnih sredstava • nošenje osobnih dozimetara za kontrolu doza ekspozicije zračenju

34. Zaštita od zračenja ZAŠTITA OD IONIZIRAJUĆIH ZRAČENJA • skup svih mjera i postupaka kojima se može smanjiti izlaganje zračenju u tijeku njegove poželjne ili potrebne primjene

35. Zaštita od zračenja OBLICI ZAŠTITE OD ZRAČENJA: • zakonodavna zaštita • fizikalno-tehnička zaštita • kemijska zaštita • biološka zaštita • znanstvena istraživanja

36. Zaštita od zračenja • Članak 11. • ozračenje osoba koje rade s izvorim ionizirajućih zračenja tijekom rada ne smije biti iznad 100 milisiverta u razdoblju pet uzastopnih godina, odnosno 20 milisiverta prosječno u svakoj godini, uz uvjet da ni u jednoj godini petogodišnjeg razdoblja ozračenje ne smije biti iznad 50 milisiverta • uvažavajući gornje granice ozračenja očne leće ne smiju biti ozračene iznad 150 milisiverta u jednoj godini, a koža, podlaktice, šake i stopala ne smiju biti ozračena iznad 500 milisiverta u jednoj godini

37. Zaštita od zračenja • Članak 14. • ozračenje osoba koje ne rade s izvorima ionizirajućih zračenja ne smije biti iznad 1 milisiverta u jednoj godini • uvažavajući gornju granicu ozračenja očne leće osoba koje ne rade s izvorima ionizirajućih zračenja ne smiju biti ozračene iznad 15milisivertau jednoj godini, a koža osoba koje ne rade s izvorima ionizirajućih zračenja ne smije biti ozračena iznad 50 milisiverta u jednoj godini

38. Zaštita od zračenja • FIZIKALNO-TEHNIČKA ZAŠTITA • nadzor nad izvršavanjem zakonskih propisa u svezi s projektiranjem i izgradnjom radioloških ustanova, odjela i prostorija u kojima će se raditi s izvorima ionizirajućih zračenja • projektiranje i izgradnja prostorija • zaštita zidova, prozora i vrata radioloških prostorija • zaštita podova

39. Zaštita od zračenja Zaštita na rentgenskom uređaju: • sloj olova u oklopu (zračniku) rentgenske cijevi • filtri na prozoru rentgenske cijevi • višeslojni sužavajući zastor (kolimator) • stol ili oslon rentgenskog uređaja • olovno zaštitno staklo na ekranu rentgenskog dijaskopskog uređaja (kad nema elektronskog pojačala) • zaštitne rese od olovne gume oko ekrana, odnosno elektronskog pojačala • elektronsko pojačalo

40. Zaštita od zračenja

41. Zaštita od zračenja • Drugi oblici (mogućnosti) zaštite od zračenja: • skraćenje trajanja izlaganja • udaljavanje tijela od izvora zračenja • način rada

42. Zaštita od zračenja Osobna zaštitna sredstva za zaštitu profesionalnog osoblja i bolesnika: • zaštitne pregače • zaštitne rukavice • štitnik za vrat • zaštitne naoćale • zaštitne kecelje za bolesnike • štitnici za ovarije i testise bolesnika

43. Zaštita od zračenja

44. Zaštita od zračenja

45. Zaštita od zračenja

46. Zaštita od zračenja

47. Zaštita od zračenja

48. Zaštita od zračenja

49. Zaštita od zračenja

50. Zaštita od zračenja